涌泉根灌不同濃度肥液入滲特性及土壤濕潤體模型研究

何振嘉，傅渝亮，王 博，費(fèi)良軍

?

涌泉根灌不同濃度肥液入滲特性及土壤濕潤體模型研究

何振嘉1,2，傅渝亮3，王 博4，費(fèi)良軍5

（1. 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2. 國土資源部退化及未利用土地整治工程 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075；3. 華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450045；4. 陜西核工業(yè)工程勘察院有限公司，西安 710054；5. 西安理工大學(xué)水資源研究所，西安 710048）

為了研究涌泉根灌肥液入滲特性及濕潤體水氮運(yùn)移的變化規(guī)律，在陜北米脂山地微灌棗樹示范基地原狀土上進(jìn)行了涌泉根灌肥液入滲試驗(yàn)。結(jié)果表明：累積入滲量與入滲時(shí)間之間符合Kostiakov冪函數(shù)關(guān)系（2>0.9，<0.01）；涌泉根灌入滲能力與增滲效果均隨肥液濃度增大而增大；水平濕潤鋒與豎直濕潤鋒運(yùn)移距離均隨肥液濃度增大而增大，且均與入滲時(shí)間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，水平方向和豎直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離的擬合值與實(shí)測值的相對(duì)誤差在–3.84%～5.20%以內(nèi)。肥液濃度的不同對(duì)于濕潤體大小略有影響。提出了涌泉根灌肥液入滲濕潤體內(nèi)土壤含水率和NH4+-N濃度分布的數(shù)學(xué)模型，即在一定濃度范圍內(nèi)，單位含水率的變化可引起的肥液濃度變化，且模型的計(jì)算精度較高（模擬值與實(shí)測值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)），并符合濕潤體內(nèi)土壤含水率和NH4+-N分布規(guī)律，可對(duì)不同位置處土壤含水率及NH4+-N含量進(jìn)行估算。水分分布情況對(duì)肥液濃度條件敏感性較低，NH4+-N分布情況對(duì)肥液濃度條件敏感性較高。研究可為涌泉根灌水肥高效利用提供參考。

入滲；氮；土壤；涌泉根灌；肥液入滲；濕潤體；數(shù)學(xué)模型；水氮分布

0 引 言

涌泉根灌是一種可直接將水肥輸送到果樹根部進(jìn)行灌溉的地下微灌技術(shù)，具有減少水肥蒸發(fā)，提高水肥利用效率的優(yōu)勢[1-2]。涌泉根灌器的制作也較為簡單，價(jià)格較滴灌系統(tǒng)更為低廉，所需材料容易獲取。并且涌泉根灌使得相關(guān)配套微灌設(shè)施的使用壽命較高，而相對(duì)微灌系統(tǒng)相關(guān)配套設(shè)備的投入較低[3]。同時(shí)，由于灌水器套管的保護(hù)，避免了灌水器滴頭堵塞，較其他微灌優(yōu)勢明顯[4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)點(diǎn)源入滲條件下滴頭流量和濕潤體特性之間的關(guān)系以及微灌濕潤體水分入滲方面進(jìn)行了大量研究，取得了眾多成果[5-10]。Kohn等[11-12]通過灌水器地埋試驗(yàn)，證明了將灌水器埋于地下，水分利用效率可顯著提高；Cote等[13-15]利用Hydrus模型對(duì)滴灌條件下水分運(yùn)移情況進(jìn)行了模擬，研究表明土壤質(zhì)地和灌水量對(duì)濕潤體形狀有較大影響；Skaggs等[16]通過數(shù)值模擬，模擬了不同初始含水率、不同土壤質(zhì)地條件對(duì)滴灌水分運(yùn)移的影響，結(jié)果表明濕潤鋒運(yùn)移和濕潤體內(nèi)部水分分布受土壤質(zhì)地及土壤初始含水率影響較大。劉顯等[17]進(jìn)行了涌泉根灌不同灌水器埋深條件下土壤水分入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明，灌水器埋深對(duì)濕潤鋒運(yùn)移起到顯著的影響。費(fèi)良軍等[18]研究了涌泉根灌在不同土壤容重條件下濕潤體的特性，結(jié)果表明，土壤容重越大，濕潤鋒運(yùn)移距離及濕潤體內(nèi)水分含量越小。黎朋紅等[19]和費(fèi)良軍等[20]通過大田試驗(yàn)，證明了濕潤鋒運(yùn)移距離隨灌水器流量的增大而增大。李耀剛等[21-23]利用Hydrus-3D軟件模擬了涌泉根灌水分運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明，流量與水分運(yùn)移速率、濕潤鋒運(yùn)移速率以及土壤含水率呈正相關(guān)關(guān)系，與濕潤體體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。李卓等[24]研究不同容重條件下的水分入滲，結(jié)果表明入滲能力與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，入滲速率的參數(shù)與土壤容重呈正相關(guān)關(guān)系。樊曉康等[25]研究了不同土壤初始含水率、土壤干容重和灌水器埋深對(duì)濕潤體的影響，結(jié)果表明初始含水率及土壤容重對(duì)濕潤體的形狀影響不顯著。吳恒卿等[26]做了雙點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明滴頭流量和滴頭間距對(duì)涌泉根灌濕潤體的運(yùn)移距離、交匯時(shí)間、土壤含水率分布均有一定影響。牛文全等[27]做了室內(nèi)入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明各方向濕潤鋒運(yùn)移距離隨土壤初始含水率的增大而增大。費(fèi)良軍等[28]分析了入滲濕潤深度范圍內(nèi)肥液濃度對(duì)土壤NO3–-N和NH4+-N含量分布特性的影響，結(jié)果表明涌泉根灌肥液濃度在50 g/L以內(nèi)時(shí)，入滲量與濕潤鋒運(yùn)移距離均與入滲時(shí)間呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系，且分別分析了入滲階段和再分布階段的水分、氨氮及硝氮運(yùn)移分布影響，但未考慮土壤水分分布和銨態(tài)氮分布之間的濕潤體函數(shù)變化關(guān)系。

綜上所述，國內(nèi)外對(duì)微灌以及涌泉根灌土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入探討，但其研究重點(diǎn)多從濕潤體土壤水分運(yùn)動(dòng)特性等方面開展，不同肥液濃度涌泉根灌入滲條件下濕潤體特性研究較單一，無法明確濕潤體內(nèi)部土壤含水率與銨態(tài)氮濃度之間的函數(shù)變化關(guān)系。本文通過涌泉根灌條件下不同肥液濃度濕潤體入滲試驗(yàn)，分析了肥液入滲對(duì)土壤水分入滲、濕潤體特征及銨態(tài)氮運(yùn)移的影響，并研究土壤水分分布及銨態(tài)氮運(yùn)移分布影響，以及由含水率分布變化引起的銨態(tài)氮濃度變化的函數(shù)關(guān)系，以期為涌泉根灌水肥高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在陜西榆林市米脂縣遠(yuǎn)志山西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，本區(qū)地形為黃土高原丘陵溝壑，氣候?yàn)榘敫珊敌?，根?jù)米脂氣象局提供的1971—2016年逐日氣象資料統(tǒng)計(jì)，雨季為每年的7—9月，年均降水量451.6 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，其<0.002、0.002～<0.02、0.02～<0.20、0.2～2.0 mm粒徑占比分別為17.55%、42.59%、38.86%、1.00%。土壤平均干容重為1.31 g/cm3，土壤初始含水率為10.4%，土壤田間持水量為23.4%，土壤飽和含水率39.8%，有效N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.7、2.9、101.9 mg/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.21%，土壤平均NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.89 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

涌泉根灌入滲試驗(yàn)由帶有刻度的截面積為70.88 cm2的硬質(zhì)塑料制作而成的馬氏瓶進(jìn)行自動(dòng)供水。灌水器模擬滴頭流量為5 L/h，灌水量30 L，試驗(yàn)氮肥選用易溶性的尿素（CO(NH2)2）（氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥46.4%）作為試供肥料，設(shè)定肥液濃度梯度分別為5、10 和20 g/L，清水為對(duì)照（肥液濃度為0）。涌泉根灌灌水器上方有連通大氣的氣孔，馬氏瓶提供恒定水頭，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶底部旋鈕開度控制流量，用秒表和20 mL的量筒來濾定滴頭流量，并校驗(yàn)試驗(yàn)過程中部分時(shí)刻的灌水器流量，確保供水穩(wěn)定。

涌泉根灌灌水器高30 cm，灌水器埋深15 cm，外徑4 cm，灌水器與配套套筒通過螺口直接安裝或拆卸，配套套筒（PVC材料）壁厚2 mm，內(nèi)徑4 cm，外徑4.2 cm；在灌水器配套套管自下往上每隔2 cm打一個(gè)孔洞，孔徑為2 mm，開孔度20%，開孔部分用紗布包裹，防止土壤顆粒進(jìn)入灌水器產(chǎn)生堵塞。涌泉根灌示意圖如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法及觀測內(nèi)容

將試驗(yàn)區(qū)原狀土剖面作為觀測面進(jìn)行不同肥液濃度試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。進(jìn)行不同肥夜?jié)舛仍囼?yàn)時(shí)，觀測或計(jì)算濕潤鋒運(yùn)移距離、累積入滲量及NH4+-N含量。為降低降雨和蒸發(fā)對(duì)濕潤體的影響，試驗(yàn)結(jié)束后用塑料布遮蓋濕潤體。

圖1 涌泉根灌示意圖

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

=π12+0.2×2π1() （1）

不同肥液濃度條件下累積入滲量曲線用Kostiakov[28]入滲模型進(jìn)行描述，形式如下：

入滲率是在單位時(shí)段內(nèi)通過單位面積的水量，由累積入滲量除以入滲時(shí)間確定，入滲時(shí)間由精度為0.01 s的秒表確定，不同時(shí)刻濕潤鋒運(yùn)移距離使用鋼卷尺直接在試驗(yàn)剖面上量出。土壤含水率采用烘干法獲得，在灌水器處、距灌水器12.5 cm以及距灌水器25 cm處取土，在垂直深度0～100 cm范圍內(nèi)每隔10 cm測定不同時(shí)間段土壤含水率。在入滲階段與再分布過程中均做3次重復(fù)以避免入滲階段取土損傷影響再分布過程中相同位置處含水率測量準(zhǔn)確度，所有含水率數(shù)據(jù)均取均值。

土壤NH4+-N含量使用CleverChem200全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（德國DeChem-Tech.GmbH）測定。NH4+-N測定方法：在堿性條件下，銨離子和次氯酸鹽，水楊酸鈉發(fā)生反應(yīng)生成顯色的復(fù)合物，整個(gè)反應(yīng)是在硝普鈉的催化下進(jìn)行，在660 nm波長下比色測定。

不同肥液濃度對(duì)水分及氮素分布情況的影響程度通過計(jì)算肥液濃度的變化程度對(duì)分析指標(biāo)的影響確定，如下式[29]：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007分析軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥液濃度對(duì)入滲特性的影響

圖3a和圖3b分別為肥液濃度分別為0、5、10和20 g/L時(shí)累積入滲量及入滲率的變化曲線。由圖可以看出，隨著入滲時(shí)間增長，累積入滲量呈增大趨勢，入滲率逐漸降低。從入滲開始，濃度為5和10 g/L累積入滲量差異不大，10和20 g/L累積入滲量差異較明顯，隨著時(shí)間增加，不同梯度間差異逐漸顯著，入滲率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。這可能主要是因?yàn)榉室菏雇寥澜Y(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，水分入滲通道不斷增加，帶有負(fù)電荷的土壤膠體被肥液中大量帶有相反電荷的NH4+離子中和，使膠體之間排斥作用減弱甚至消失，微小膠體凝聚形成土壤團(tuán)聚體，增加了土壤顆粒粒徑，使得入滲能力增強(qiáng)。

圖3 肥液濃度對(duì)涌泉根灌累積入滲量及入滲速率的影響

為了量化肥液濃度對(duì)于土壤水分入滲的增滲效果，利用增滲率（同一入滲時(shí)刻，肥液濃度的累積入滲量較清水的增加量，并與清水累積入滲量的百分比，%）進(jìn)行具體分析，結(jié)果如表1。

表1 累積入滲量與增滲率

表1為不同肥液濃度不同灌水歷時(shí)累積入滲量與增滲率的比較。由表可以看出，各入滲時(shí)間，累積入滲量及增滲率均隨肥液濃度增加而增大。采用Kostiakov入滲模型（式（2））對(duì)不同肥液濃度條件下累積入滲量曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。不同肥液濃度模擬出來的決定系數(shù)2均大于0.9，大于顯著性水平0.01時(shí)的臨界值（0.606），表明Kostiakov模型能夠很好地描述涌泉根灌累積入滲量隨時(shí)間變化關(guān)系。

表2 累積入滲量Kostiakov模型擬合參數(shù)

2.2 肥液濃度對(duì)濕潤體特性的影響

2.2.1 肥液濃度對(duì)濕潤鋒特性的影響

圖4為肥液濃度分別為0、5、10和20 g/L時(shí)濕潤鋒運(yùn)移距離的變化曲線。水平、豎直向下、豎直向上濕潤鋒運(yùn)移距離均隨入滲時(shí)間增長而增加，隨著肥液濃度越大，水平濕潤鋒運(yùn)移距離略有增大，但差異較??；豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離逐漸增大。涌泉根灌條件下肥液入滲在水平、豎直向下、豎直向上濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系（表3，2>0.9，<0.01），函數(shù)形式如式（5）所示，函數(shù)擬合參數(shù)如表3所示。

將式（6）～式（11）分別代入式（5）得到涌泉根灌水平方向和豎直向下、以及豎直向上濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間和肥液濃度變化的數(shù)學(xué)模型：

式中(,)為涌泉根灌不同肥液濃度條件下水平濕潤峰隨時(shí)間變化的運(yùn)移距離，cm；(,)為涌泉根灌不同肥液濃度條件下豎直向下濕潤峰隨時(shí)間變化的運(yùn)移距離，cm；(,)為涌泉根灌不同肥液濃度條件下豎直向上濕潤峰隨時(shí)間變化的運(yùn)移距離，cm；為肥液濃度，g/L。

為驗(yàn)證模型的可靠性，以灌水器埋深15 cm，肥液濃度23 g/L為例，使用式（12）～式（14）得到各方向濕潤鋒運(yùn)移距離模擬值，見表4。水平方向和豎直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離的擬合值與實(shí)測值的相對(duì)誤差在–3.84%～5.20%以內(nèi)，滿足精度要求。

注：灌水器出水口位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。

表3 濕潤鋒運(yùn)移距離冪函數(shù)擬合結(jié)果

注：()為濕潤鋒運(yùn)移距離，cm。為入滲時(shí)間，min。

Note:() is wetting front shift distance, cm.is infiltration time, min.

2.2.2 肥液濃度對(duì)濕潤體體積的影響

以灌水器埋深面將濕潤面分為上、下兩部分，下部為半橢球，上部為半橢球的一部分。用橢圓方程表示，令：

分別將不同方向濕潤鋒運(yùn)移模型（式（12）～式（14））代入橢圓方程，得上半橢圓方程為：

下半橢圓方程為：

根據(jù)灌水結(jié)束時(shí)不同方向濕潤鋒運(yùn)移距離，按照式（16）及式（17）計(jì)算灌水器不同肥液濃度條件下濕潤體體積，結(jié)果如表5?？梢钥闯?，隨著肥液濃度越大，濕潤體體積逐漸增大，增幅（施加肥液與清水灌溉濕潤體體積的差值除以清水灌溉濕潤體體積，%）分別達(dá)11.77%、15.01%、15.72%。肥液濃度的不同對(duì)于濕潤體大小略有影響，但不能采用增大或減小肥液濃度的方式來調(diào)控濕潤區(qū)域。

2.2.3 肥液濃度對(duì)濕潤體土壤含水率分布的影響

圖5a為灌水結(jié)束時(shí)相同肥液濃度條件下距離灌水器位置不同處土壤含水率曲線。圖5b為灌水結(jié)束時(shí)不同肥液濃度條件下灌水器出水口處土壤含水率曲線。圖5c為灌水結(jié)束、再分布1d以及3d時(shí)在距灌水器出水口25 cm 處不同土壤深度含水率數(shù)據(jù)，并對(duì)不同時(shí)間不同空間土壤含水率進(jìn)行分析。

表4 水平方向和豎直方向濕潤鋒運(yùn)移距離實(shí)測值和模擬值

表5 不同肥液濃度條件下濕潤體體積

由圖5a、圖5b可以看出，在同一肥液濃度條件下，土壤含水率隨距灌水器出水口距離的增大而減?。环室簼舛炔煌?，土壤含水率分布有明顯差異，土壤含水率隨肥液濃度的增大而增大。由圖5c可以看出，同一肥液濃度，隨著時(shí)間的推移，土壤含水率總體降低。灌水結(jié)束到再分布1 d后這一階段，土壤深度0～60 cm含水率減小幅度較大，60～100 cm深度含水率略有增大，說明在灌水結(jié)束到再分布1 d后時(shí)段內(nèi)，土壤水分繼續(xù)下滲，但下滲程度較小，說明田間條件下，這一深度水分入滲已較為緩慢。再分布1 ～3 d這一階段，含水率變化顯著，呈現(xiàn)出0～60 cm深度減小，60～100 cm增大的規(guī)律，在深度80 cm以下區(qū)域，含水率波動(dòng)較小，說明在此區(qū)域以下，水分入滲能力更小。

圖5 肥液濃度對(duì)土壤含水率影響

涌泉根灌肥液自由入滲濕潤體內(nèi)土壤含水率分布模型為[30]

以肥液濃度為5 g/L為例，根據(jù)試驗(yàn)資料，有：

為驗(yàn)證模型精度，以灌水器埋深15 cm，土壤初始含水率為4.13%為例，使用式（21）得到含水率模擬值，見表6?？梢钥闯?，使用該模型對(duì)濕潤體內(nèi)部部分點(diǎn)位含水率進(jìn)行計(jì)算，所得模擬值與實(shí)測值相對(duì)誤差在–5.20%～4.19%以內(nèi)，具有較高精度，可對(duì)不同位置處土壤含水率進(jìn)行估算。

表6 土壤含水率實(shí)測值和模擬值

2.2.4 肥液濃度對(duì)涌泉根灌NH4+-N含量的影響

分別測得灌水結(jié)束、再分布1 d以及3 d不同土壤深度NH4+-N數(shù)據(jù)，并對(duì)不同時(shí)間不同空間NH4+-N含量進(jìn)行分析。圖6a為灌水結(jié)束時(shí)相同肥液濃度條件下距離灌水器位置不同處NH4+-N含量。圖6b為灌水結(jié)束時(shí)不同肥液濃度條件下距離灌水器位置相同處NH4+-N含量。圖6c為灌水結(jié)束、再分布1 d及3 d時(shí)NH4+-N含量。圖6d為不同土壤深度NH4+-N含量隨時(shí)間變化情況。

圖6 不同肥液濃度對(duì)NH4+-N含量的影響

由圖6a可以看出，灌水結(jié)束時(shí)，同一灌水器埋深條件下，距離灌水器越遠(yuǎn)，NH4+-N含量越低，這是因?yàn)镹H4+-N帶正電荷，易被帶負(fù)電荷土壤膠體所吸附，因此入滲溶液中NH4+-N含量減少，使得主要通過擴(kuò)散機(jī)理運(yùn)移的NH4+-N繼續(xù)擴(kuò)散受到阻礙，但隨著土壤吸附NH4+-N含量增加到一定程度，在水流的作用下部分NH4+-N繼續(xù) 向遠(yuǎn)處運(yùn)移，其運(yùn)移受到土壤對(duì)NH4+-N吸附能力的影響。由圖6b可看出，NH4+-N含量總體上隨著肥液濃度增大而增大，由于肥液濃度越大，濕潤鋒豎向運(yùn)移距離越大，在土壤深度60～90 cm，NH4+-N也表現(xiàn)為在豎直向下方向遷移也越遠(yuǎn)。由圖6c，同一肥液濃度，隨著時(shí)間的推移，3 d以內(nèi)NH4+-N含量逐漸增加，這主要是由于肥液入滲之后，尿素水解逐漸產(chǎn)生NH4+-N。由圖6d可以看出，從入滲開始直到入滲結(jié)束的3 h，土壤NH4+-N含量增加幅度最大，灌水結(jié)束后直到再分布3 d后NH4+-N含量增加幅度逐漸降低。這主要是由于入滲試驗(yàn)過程中，肥液中尿素水解產(chǎn)生大量NH4+-N，導(dǎo)致入滲過程結(jié)束后NH4+-N含量突然增大，灌水3 h結(jié)束后，沒有肥液的進(jìn)一步補(bǔ)給，水解的NH4+-N逐漸減少，且隨著溶液中游離NH4+-N的存在，又對(duì)尿素的進(jìn)一步水解產(chǎn)生抑制作用，水解率有所降低。同時(shí)，可以看出，在土壤深度0～30 cm，NH4+-N含量增加較為明顯，是初始值的16.4倍（<0.01）、12.7倍（<0.01）、16倍（<0.01）；在深度50 cm及以下，NH4+-N含量增加幅度較小，是初始值的3.5倍（<0.01）。這是因?yàn)樵囼?yàn)進(jìn)行時(shí)間為中午，地表溫度較高，有利于尿素的水解，且地表通氣條件較好，有利于NH4+-N的揮發(fā)，使得入滲的溶液中游離NH4+-N含量降低，減小了其對(duì)尿素進(jìn)一步水解的抑制作用。

涌泉根灌肥液自由入滲濕潤體內(nèi)土壤NH4+-N分布模型為[30]：

肥液濃度為5 g/L時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)資料，有：

故濕潤體內(nèi)土壤NH4+-N分布模型為：

為驗(yàn)證模型精度，以灌水器埋深15 cm，肥液濃度為3 g/L為例，使用式（25）計(jì)算土壤NH4+-N含量，并與實(shí)測值進(jìn)行比較如表7。可以看出，使用該模型對(duì)濕潤體內(nèi)部部分點(diǎn)位NH4+-N進(jìn)行計(jì)算，所得計(jì)算值與實(shí)測值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，具有較高精度，可對(duì)不同位置處土壤NH4+-N含量進(jìn)行估算。

表7 土壤NH4+-N質(zhì)量濃度實(shí)測值和模擬值

根據(jù)式（20）與式（25），得到5 g/L條件下含水率與銨態(tài)氮濃度的關(guān)系：

2.3 肥液濃度對(duì)涌泉根灌濕潤體土壤水、氮分布影響

選取計(jì)劃濕潤深度0～70 cm含水比率（計(jì)劃濕潤層占100 cm土層深度范圍含水率的比例）及水分分布均勻程度為分析指標(biāo)，對(duì)于一次灌水，水分分布應(yīng)以便于作物吸收為主，以試驗(yàn)區(qū)棗樹為例，根據(jù)棗樹根區(qū)主要分布在水平180 cm，垂直70 cm范圍的特點(diǎn)，此處選取計(jì)劃濕潤深度0～70 cm含水比率及水分分布均勻程度為分析指標(biāo)。利用式（3）和式（4）計(jì)算得到水分分布情況對(duì)不同肥液濃度下土壤水分的敏感系數(shù)。（為減輕計(jì)算偏差，計(jì)劃濕潤深度0～70 cm含水比率及水分分布均勻程度權(quán)重均取0.5），判斷不同肥液濃度對(duì)水分及氨氮分布情況的影響程度。同理，選取計(jì)劃濕潤層0～70 cm含氮比率及氮素分布均勻程度為分析指標(biāo)，計(jì)算方法同式（3）和式（4）。通過計(jì)算肥液濃度的變化程度對(duì)分析指標(biāo)的影響，得到氮素分布情況對(duì)不同肥液濃度的敏感系數(shù)（為減輕計(jì)算偏差，以計(jì)劃濕潤層0～70 cm含氮比率及氮素分布均勻程度權(quán)重均取0.5），判斷不同肥液濃度對(duì)氮素分布情況的影響程度。計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 肥液濃度變化對(duì)土壤水及氮分布敏感系數(shù)的影響

可以看出，水分分布情況對(duì)肥液濃度條件敏感性均較低，即變化肥液濃度對(duì)0～70 cm水分比率和水分分布均勻程度2個(gè)分析指標(biāo)影響不大。相對(duì)而言，以肥液濃度10 g/L為基準(zhǔn)，降低肥液濃度比增大肥液濃度影響更大。降低肥液濃度，0～70 cm水分比率略有升高，幅度極小，這是因?yàn)椋室簼舛鹊淖兓任茨苁沟盟秩霛B深度顯著超出0～70 cm范圍；水分分布均勻程度則明顯降低，幅度較大。增大肥液濃度，0～70 cm水分比率幾乎無影響，而水分分布均勻程度略有降低。

而NH4+-N分布情況對(duì)肥液濃度條件敏感性均較高，變化肥液濃度對(duì)0～70 cm NH4+-N比率和NH4+-N分布均勻程度2個(gè)分析指標(biāo)影響較大。降低肥液濃度，0～70 cm NH4+-N比率略有降低，幅度極小，這是因?yàn)?，肥液濃度的變化幅度未能使得NH4+-N變化深度顯著超出0～70 cm范圍；降低肥液濃度，NH4+-N分布均勻程度則大幅降低。增大肥液濃度，0～70 cm NH4+-N比率幾乎無影響，而NH4+-N分布均勻程度明顯降低。

3 結(jié) 論

本文通過涌泉根灌肥液入滲試驗(yàn)，對(duì)涌泉根灌肥液入滲特性及濕潤體水氮運(yùn)移的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得到主要結(jié)果如下：

1）涌泉根灌入滲能力與增滲效果均與肥液濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；累積入滲量與入滲時(shí)間之間符合Kostiakov冪函數(shù)模型關(guān)系；水平濕潤鋒與豎直濕潤鋒運(yùn)移距離均隨肥液濃度的增大而增大，且均與入滲時(shí)間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。灌水結(jié)束時(shí)，相同肥液濃度在同一灌水器埋深條件下，距離灌水器越遠(yuǎn)，NH4+-N含量越低，在灌水器出水口位置附近NH4+-N含量達(dá)到峰值。同一土層深度處，土壤NH4+-N隨著肥液濃度增大而增大。由于試驗(yàn)設(shè)置滴頭流量為5 L/h，在入滲過程中，套管內(nèi)已經(jīng)為滿蓄狀態(tài)，灌水器內(nèi)水頭已高于出流孔，產(chǎn)生了一部分多余水分無法入滲到土壤中，由試驗(yàn)結(jié)果來看，建議設(shè)置滴頭流量為小于5 L/h時(shí)，水量可能完全滲入，灌水器與套管的契合度會(huì)更好，不會(huì)產(chǎn)生過量的水分從氣孔流出，能更好地發(fā)揮涌泉根灌高效灌水的優(yōu)勢。

2）分析了涌泉根灌不同肥液濃度條件下土壤水分分布及土壤NH4+-N分布及其隨時(shí)間變化規(guī)律，提出了涌泉根灌肥液入滲濕潤體內(nèi)土壤含水率和NH4+-N濃度分布的數(shù)學(xué)模型，即在一定濃度范圍內(nèi)，單位含水率的變化可引起的肥液濃度變化，當(dāng)（自由入滲土體中任一點(diǎn)至灌水器中心的距離）≤（自由入滲濕潤鋒至灌水器中心的距離）時(shí)，即在濕潤體濕潤范圍內(nèi)任意點(diǎn)處，濕潤體內(nèi)土壤含水率與銨態(tài)氮濃度的相關(guān)關(guān)系可由冪函數(shù)進(jìn)行表征，當(dāng)＞時(shí)，即在濕潤體范圍外任意點(diǎn)處，初始肥液濃度與初始含水率的比值為一常數(shù)，且模型的計(jì)算精度較高，并符合濕潤體內(nèi)土壤含水量和NH4+-N分布規(guī)律，可對(duì)不同位置處土壤含水率及NH4+-N含量進(jìn)行估算。

3）水分分布情況對(duì)肥液濃度條件敏感性均較低，即變化肥液濃度對(duì)計(jì)劃濕潤層0～70 cm含水比率和水分分布均勻程度2個(gè)分析指標(biāo)影響不大。NH4+-N分布情況對(duì)肥液濃度條件敏感性均較高，變化肥液濃度對(duì)計(jì)劃濕潤層0～70 cm含氮比率和NH4+-N分布均勻程度2個(gè)分析指標(biāo)影響較大。

[1] 劉顯，費(fèi)良軍. 灌水器流量對(duì)涌泉根灌土壤水氮運(yùn)移的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，35(10)：903－911. Liu Xian, Fei Liangjun. Transport characteristics of water and nitrogen under bubbled root irrigation with emitter discharge[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engin, 2017, 35(10): 903－911.(in Chinese with English abstract)

[2] 吳普特，朱德蘭，汪有科. 涌泉根灌技術(shù)研究與應(yīng)用[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，28(4)：354－357，368. Wu Pute, Zhu Delan, Wang Youke. Research and application of bubbled-root irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2010, 28(4): 354－357, 368.(in Chinese with English abstract)

[3] 張志韜，吳普特，張俊英，等. 涌泉根灌土壤濕潤體運(yùn)移模型[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31(2)：173－179. Zhang Zhitao,Wu Pute,Chen Junying,et al.Prediction model of wetted front migration distance under bubbled-root irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engin, 2013, 31(2): 173－179.(in Chinese with English abstract)

[4] 張志華，朱德蘭，李向明，等. 涌泉根灌灌水器外套材料配方試驗(yàn)研究[J]. 節(jié)水灌溉，2013(11)：1－3. Zhang Zhihua, Zhu Delan, Li Xiangming, et al. Experimental study on material formula of bubbled-root irrigation device outer casing[J]. Water Saving Irrigation, 2013(11): 1－3.(in Chinese with English abstract)

[5] 張志剛，李宏，李疆，等. 地表滴灌條件下滴頭流量對(duì)土壤水分入滲過程的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014，32(4)：53－58. Zhang Zhigang, Li Hong, Li Jiang, et al. Effects of different dripper discharge on soil water infiltration under drip irrigation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2014, 32(4): 53－58.(in Chinese with English abstract)

[6] 劉曉英，楊振剛，王天俊. 滴灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，1990，21(1)：11－22. Liu Xiaoying, Yang Zhengang, Wang Tianjun. Study on water movement under trickle Irrigation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1990, 21(1): 11－22.(in Chinese with English abstract)

[7] 孫海燕，李明思，張杰，等. 點(diǎn)源滴灌滴頭流量設(shè)計(jì)模式的試驗(yàn)研究[J]. 石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，23(1)：81－84. Sun Haiyan, Li Mingsai, Zhang Jie, et al. Experimental research about dripper discharge design mode for point source drip irrigation[J]. Journal of Shihezi University: Natural Science, 2005, 23(1): 81－84. (in Chinese with English abstract)

[8] Patel N, Rajput T S. Dynamics and modeling of soil water under subsurface drip irrigated onion[J]. Agricultural Water Management, 2008, 95(12): 1335－1349.

[9] Ben-Asher J, Charach G, Zemel A. Infiltration and water extraction from trickle iggigation source:The effective hemisphere model[J]. Soil Scince Society of America Journal, 1986, 50(4): 882－887.

[10] Beggs, R A, Tchobanoglous G, Hills D, et al. Modeling subsurface drip application of onsite wastewater treatment system effluent[EB/OL]. St. Joseph: American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2013: 701P0104. doi: 10.13031/2013.15765

[11] Kohn P,Roth A.Plant root watering device: USD456225[P]. 2002-04-30.

[12] Skier M.Bio-degradable plant root watering system: USD5842309[P]. 1998-12-01.

[13] Cote C M, Bristow K L, Charlesworth P B, et al. Analysis of soil wetting and solute transport in subsurface trickle irrigation[J]. Irrigation Science, 2003, 22(34): 143－156.

[14] Bristow K L, Cote C M, Thorbum P J, et al. Wetting and solute transport in trickle irrigation systems[C]//6th Intermational Micro-Conference, 2000: 1－9.

[15] Al-ogaidi A M, Wayayok A, Kamal M R, et al. Modelling soil wetting patterns under drip irrigation using hydrus-3D and comparison with empirical models[C]//Global Conference on Engineering and Technology, 2016.

[16] Skaggs T H, T J Trout, Y Rothfuss. Drip irrigation water distribution pattern: Effects of emitter rate, pulsing and antecedent water[J]. Soil Science Society of America Journal,2012,74(6):1886, doi:10.2136/2009.0341, 2010.

[17] 劉顯，費(fèi)良軍，王佳，等. 灌水器埋深對(duì)涌泉根灌土壤水氮運(yùn)移特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2016，35(9)：20－25. Liu Xian, Fei Liangjun, Wang Jia, et al. Transport characteristics of water-and nitrogen under bubbled-root irrigation with burled depth of emitter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(9): 20－25.(in Chinese with English abstract)

[18] 費(fèi)良軍，劉顯，王佳，等. 土壤容重對(duì)涌泉根灌土壤水氮運(yùn)移特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(8)：219－228. Fei Liangjun, Liu Xian, Wang Jia, et al. Effects of soil bulk density on transport characteristics of water and nitrogen under bubbled-root irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 219－228.(in Chinese with English abstract)

[19] 黎朋紅，汪有科，馬理輝，等. 涌泉根灌濕潤體特征值變化規(guī)律研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2009，23(6)：190－194. Li Penghong,Wang Youke, Ma Lihui, et al. Study on eigenvalues of wetted soil under bubbled root irrigation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(6): 190－194.(in Chinese with English abstract)

[20] 費(fèi)良軍，曹俊，聶衛(wèi)波. 涌泉根灌土壤濕潤體特性試驗(yàn)[J].排灌機(jī)械，2011，29(3)：260－265. Fei Liangjun, Cao Jun, Nie Weibo.Characteristics test of wetting body of surge and spring root irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2011, 29(3): 260－265. (in Chinese with English abstract)

[21] 李耀剛，王文娥，胡笑濤，等. 涌泉根灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2012，31(3)：42－47. Li Yaogang, Wang Wene, Hu Xiaotao, et al. Numerical simulation of soil water movement under bubbled root irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2012, 31(3): 42－47.(in Chinese with English abstract)

[22] 李耀剛，王文娥，胡笑濤，等. 基于HYDRUS-3D的涌泉根灌土壤入滲數(shù)值模擬[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31(6)：536－552. Li Yaogang, Wang Wene, Hu Xiaotao, et al. Numerical simulation of soil water infiltration under bubbled root irrigation based on hydrus-3D[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(6): 536－552.(in Chinese with English abstract)

[23] 李耀剛，王文娥，胡笑濤，等. 涌泉根灌入滲特性影響因素[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2013，27(4)：114－119. Li Yaogang, Wang Wene, Hu Xiaotao, et al. Influencing factors of infiltration characteristics under bubbled root irrigation [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(4): 114－119.(in Chinese with English abstract)

[24] 李卓，吳普特，馮浩，等. 容重對(duì)土壤水分入滲能力影響模擬實(shí)驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(6)：40－45. Li Zhuo, Wu Pute, Feng Hao, et al. Simulation experiment on effect of soil bulk density on soil infiltration capacity [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(6):40－45.(in Chinese with English abstract)

[25] 樊曉康，陳俊英，牛文全，等. 涌泉根灌土壤濕潤體影響因素的試驗(yàn)研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011(10)：1－4. Fan Xiaokang, Chen Junying, Niu Wenquan, et al. Experimental study on influencing factors of soil wetted body of clay loam under bubbled root irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2011(10): 1－4.(in Chinese with English abstract)

[26] 吳恒卿，黃強(qiáng)，魏群. 涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲濕潤體試驗(yàn)研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，43(5)：201－207. Wu Hengqing, Huang Qiang, Wei Qun. Moist body of two-point source interference infiltration of surge root irrigation[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2015, 43(5): 201－207.(in Chinese with English abstract)

[27] 牛文全，樊曉康，趙曉波，等. 初始含水率對(duì)涌泉根灌土壤滲透特征的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，30(4)：491－496. Niu Wenquan, Fan Xiaokang, Zhao Xiaobo, et al. Effect of initial water content on soil infiltration characteristics during bubble irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(4): 491－496.(in Chinese with English abstract)

[28] 費(fèi)良軍，傅渝亮，何振嘉，等. 涌泉根灌肥液入滲水氮運(yùn)移特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(6)：121－129. Fei Liangjun, Fu Yuliang, He Zhenjia, et al. Transport characteristics of water and nitrogen under bubbled-root irrigation with fertilizer solution[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 121－129. (in Chinese with English abstract)

[29] 王博. 涌泉根灌入滲土壤水氮運(yùn)移特性試驗(yàn)與數(shù)值模擬[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2015. Wang Bo. Experimental and Numerical Simulation of Water and Nitrogen Transport Characteristics in Soils under the Bubbled-root Irrigation[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2015.(in Chinese with English abstract)

[30] 費(fèi)良軍，程?hào)|娟，朱興華. 單膜孔點(diǎn)源肥液入滲水氮分布特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(10)：12－15. Fei Liangjun, Cheng Dongjuan, Zhu Xinghua. Water and NO3--N distribution characteristics in single film hole point source fertile solution infiltration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(10): 12－15.(in Chinese with English abstract)

Infiltration characteristics and wetting body model of bubbled-root irrigation under different fertilizer concentration

He Zhenjia1,2, Fu Yuliang3, Wang Bo4, Fei Liangjun5

(1.710075,; 2.710075,; 3.450045,; 4.710054,; 5.710048,)

Bubbled-root irrigation is an effective method of irrigation that transports water and fertilizer to roots of fruit trees. This study investigated the infiltration characteristics of the bubbled-root irrigation and the changes of water and nitrogen transport in the wetting body. A field experiment was carried out in Yulin city, Shanxi. During the experiment, water was supplied by a Markov bottle. The emitter flow rate was 5 L/h. The irrigation amount was 30 L. The nitrogen-fertilizer was urea with nitrogen not less than 46.4%. The fertilizer concentration was 5, 10 and 20 g/L. The irrigation without fertilizer was as control. The cumulative infiltration was determined and it dynamic change was fitted by a Kostiakov model. The infiltration-increasing rate was calculated by difference between cumulative infiltration of fertilizer treatments and that of control dividing by the cumulative infiltration of control. In addition, the water content and ammonium N content were measured. Soil samples along the profile 0-100 cm (in an interval of 10 cm) were collected from the position where the emitter was, at the distance of 12.5 and 25 cm away from the emitter, respectively. The sensitivity of water distribution and nitrogen distribution in soils was assessed by comprehensive sensitivity coefficient when the fertilizer concentration increased by 100 g/L or decreased by 50 g/L. The results showed that the cumulative infiltration increased with infiltration time following a Kostiakov power function model (2>0.9). The infiltration rate decreased with time. The cumulative infiltration and infiltration-increasing rate both increased with increasing fertilizer concentration. The wetting front shift distance increased with infiltration time. When the fertilizer concentration increased, the horizontal wetting front shift distance increased slightly but the vertically upward and downward wetting front shift distance increased greatly. Models of wetting front shift distance based on fertilizer concentration and infiltration time were established. It had a high accuracy and the relative error between measured and simulated value was -3.84%-5.20%. The fertilizer concentration could slightly affect the volume of wetted body. Models were established to estimate soil water content and NH4+-N concentration of bubbled-root irrigation under different fertilizer concentrations. Both of the models had the high accuracy with the relative error between measured and estimated values less than 10%. The models could estimate the soil water content and NH4+-N content at different locations. Within the wetted body, the relationship between soil water content and NH4+-N content could be described by power functions, while in the outside of the wetted body, the ratio of initial fertilizer concentration to initial soil water content was a constant. The change of fertilizer concentration could be caused by the change of unit water content within a certain concentration range. At the end of irrigation, NH4+-N content decreased with increasing the distance away from the emitter at the same buried depth of emitter. It increased with the increase in the fertilizer concentration. The NH4+-N content increased greatly before 3 h and the increase amplitude gradually decreased after 3 days. The comprehensive sensitivity coefficient of water distribution to fertilizer concentration change was 0.029-0.076 while that of NH4+-N distribution was 0.148-0.662. It indicated that the water distribution was less sensitive to fertilizer concentration, and the distribution of NH4+-N was more sensitive to fertilizer concentration.

infiltration; nitrogen; soils; bubbled-root irrigation; fertilizer solution infiltration; wetted body; mathematical model; water and nitrogen distribution

何振嘉，傅渝亮，王 博，費(fèi)良軍.涌泉根灌不同濃度肥液入滲特性及土壤濕潤體模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(24)：90－99. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.011 http://www.tcsae.org

He Zhenjia, Fu Yuliang, Wang Bo, Fei Liangjun. Infiltration characteristics and wetting body model of bubbled-root irrigation under different fertilizer concentration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 90－99. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.011 http://www.tcsae.org

2018-03-31

2018-11-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279157）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（2011BAD29B04）

何振嘉，工程師，主要從事節(jié)水灌溉與土地工程方面研究。Email：471128226@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.011

S275.4

A

1002-6819(2018)-24-0090-10